光纖預警傳感技術綜述

郭舉富，王尉軍，盛興隆，李朝舉，胡凱強

（貴州電網有限責任公司，貴州 貴陽 550013）

0 引 言

近幾年，光纖預警傳感技術在工程上的應用越來越多。為保障電力系統的正常運行，需要安排工作人員參照路由圖紙進行日常線路巡視，以便發現光纜附近有施工時及時進行安全處理。由于巡線人員不足等因素，很多施工并沒有在運維人員巡線時被發現，且其中很多施工屬于野蠻施工，即“事前無報備，事后當電纜、光纜挖斷時又刻意隱瞞”，導致搶修工作困難重重。

隨著光纖傳感技術的發展，可以提前發現電力管道光纜附近的機械施工情況，以便及時通知巡視人員到達現場進行溝通，減少威脅光纜安全的事故發生。

1 光纖傳感技術——干涉型

干涉光中，光的強度變化和光程差的變化存在一定的對照關系。因此，干涉型光纖傳感技術通過此種聯系獲取外界的物理量，靈敏度高但定位精度差，在光纖預警系統中的應用程度不高。

20世紀90年代，Paul R. Hoffman[1-4]等人研究了多場景下的安全檢測任務，主要基于Sagnac干涉理論的分布式光纖傳感技術系統結構，如圖1所示。

圖1 基于Sagnac干涉原理的檢測結構

光信號經過耦合器后分為兩束光源在兩根光纖繞成的光纖環中依照不同的方向行進，這兩種光信號返回終點耦合器時會引起干涉現象。信號的相位頻譜變化多與其頻率特征有關，此特定可以用來對該處光纖的干擾進行物理定位。一旦有外部振動作用于傳感光纖的時候，傳輸光纜的一端可以檢測到亮暗相間的光傳輸信號，反映的是傳輸光源的相位差變化，也反映光纖是否受到干擾。

基于Sagnac干涉原理的光纖傳感系統改造結構簡單，不需要額外控制光路的相干長度。但是，該傳感系統只能應用于一定頻率特征的某類外破入侵事件，限制了其在外破事件入侵監測中的應用范圍，且該系統中的光纖需要屏蔽使系統的定位精度達到一定水準，一定程度上增加了系統的復雜性。

為解決以上問題，基于雙Mach-Zehnder的安全預警技術方案相繼被提出。Mach-Zehnder干涉儀是一種較為常見的波長調制型光纖傳感器，基于建立輸入波長變化與相位變換之間的聯系反映外界的傳輸光強變化。

不同的光纖傳感系統因為原理不同而具有不同的特征。某一類系統具有其他系統不具有的優點，但同樣存在其他系統沒有的缺點。所以，為了解決單一方法的不足，許多學者通過借鑒各種各樣的光纖傳感技術構造綜合的光纖傳感系統。1997年，Stephanus J. Spammer[5]研究出基于Sagnac/Michelson干涉原理的光纖傳感系統應用于外破入侵事件的安全監測，優勢在于能夠識別較多的外破入侵事件的頻率特征，但無法解決光纖屏蔽。后期Anatoli A.Chtcherbakov[6]提出了一種光纖傳感系統用于外破入侵事件的定位與監測，主要依據是融合Sagnac和Mach-Zehnder的干涉原理。系統通過對兩種干涉儀的輸出信號進行對比得到入侵信號的定位位置，缺點是Mach-Zehnder干涉儀為了傳輸數據需要獨立的數據傳輸通道，而隨著傳輸距離的增加，數據在傳輸過程中必然會消耗時間，因此對于距離較長的光纜外破監測，該系統很難實現。

2 光纖傳感技術——光柵型

光纖Bragg光柵傳感系統（FBG）[7]在20世紀后期逐漸走進人們的視野。作為一種全光纖無源器件，光纖Bragg光柵具有體積小、波長選擇性好、不受非線性效應影響、極化不敏感、易與光纖系統相連接、便于使用和維護、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好以及可與其他光纖器件融成一塊等特性，且具有成熟的光纖光柵制作工藝，成本低廉，易于進行大規模生產，因此具有良好的實用性。這樣的優越特性使得光纖Bragg光柵以及光纖光柵的器件成為全光網中較為理想的器件，具有不可比擬的優勢。

基于FBG的物理特性，研究通常將其分為主動型光纖光柵傳感技術和被動型光纖光柵傳感技術兩種。被動型光纖光柵傳感技術的主要理論依據是通過波長調制達到傳感的最終目的。外界的干擾量如溫度、應變等變化，會影響到光纖光柵的折射率、調制周期以及纖芯的折射率。系統結構如圖2所示。

圖2 被動型FBG光纖傳感系統

主動型光纖光柵傳感技術需利用分布式布拉格反射式（DBR）光纖激光器，工業上已經實現同時對溫度和應變進行測量，方法多為同時使用兩個光纖DBR激光器，系統如圖3所示。

圖3 主動型光纖光柵傳感系統

3 光時域反射技術——OTDR

目前，基于OTDR分布式光纖振動傳感的監測系統種類繁多，其中運用廣泛的主要有偏振敏感光時域反射技術（POTDR）、普通光時域反射技術（OTDR）、自發布里淵散射光時域反射技術（BOTDR）以及相位敏感光時域反射技術（PHI-0TDR）4種。

光時域反射技術多基于瑞利散射機制完成信號的采集，因為瑞利散射光頻率和入射光波相同，所以在瑞利散射中光波的頻率在散射過程中會一直保持不變。傳感光纖會接收激光源發射的高強度光信號，探測器通過檢測沿著光纖軸后向傳回的后向瑞利散射光波的光信號，實現溫度、應力等物理量的測量。工業上，通常利用這種技術實現對傳輸管廊的監測。

后向瑞麗散射光在進行多次平滑處理后可以增強其光波強度，從而保證傳感系統的靈敏度達到一定的水平。在平滑過程中，光纖的狀態需要保持恒定，以確保測量精度。

普通OTDR因為損耗較高，只能感受到較為敏感的光強變化。對于FDD系統來說，測量的物理量為時變信號，因此基于普通OTDR的分布式光纖擾動傳感器不能適用于頻率較高的振動傳感。

布里淵散射技術能夠利用布里淵散射效應完美地將待測變化量轉變為布里淵頻移變化量。依靠這項技術，它能應用在一些監測任務中，如對基坑、變形以及扭轉等。

在現代光纖振動檢測時，最主要的問題是常常無法分清到底是什么狀態變化導致了光纖偏振態發生變化。一些光纜鋪設的環境復雜且惡劣，能夠引起光纖振動的外界物理量數量也非常多。因此，偏振態的變化也只能對監測起到一定的幫助，而要完成大范圍的分布式監測任務，光靠偏振態這一獨立的參數是不行的。

POTDR適用于溫度的測量[8]；BOTDR因為其空間分辨率和廣闊的測量寬度，可用于應變、溫度測量；POTDR傳感的距離比其他傳感技術要短，但是能夠完成高精度的定位任務；PHI-OTDR定位精度高，系統響應快，具備長距離探測能力等優點。

BOTDR主要建立外界被測物理量如溫度、應力等與光纖中的布里淵散射功率或頻移的變化量的變化關系來進行分布式傳感監測[9]。工業上，通常通過監測布里淵散射信號返回的時間完成空間的定位工作，如汽油傳輸，電力傳輸等。在這些應用場景中，BOTDR技術因為能夠感知溫度和應力而被廣泛運用。

基于相位敏感的PHI-OTDR技術是通過OTDR不斷發展而來的。PHI-OTDR技術的光源信號是頻率超窄的激光器發射的，其中高相干光信號的形成經過聲光調制器的調制后形成光脈沖信號。此種光信號在光纖內部進行傳播時會因為光纖內部的構造原因而產生折射率不均勻的特性，是瑞麗散射光產生的原因。這些瑞利散射的光信號沿著光纖內部反方向傳播至光源發生處，最終通過環形器進入光電探測器，因此系統輸出信號為后向瑞利散射光的相干干涉光強。PHI-OTDR技術相較于傳統的OTDR技術，最大的區別在于改進了光源。

PHI-OTDR分布式光纖振動傳感器主要實現的功能是定位外部振動干擾點，其基于后向瑞利散射光信號的相干干涉光波信號理論實現定位任務。當光纖外部受到擾動干擾時，光纖內部的物理結構會使內部的折射率發生變化，而這一變化能夠使后向傳輸光信號的相位受到調制。此時，后向散射光的強度會引起變化，這種差別是系統甄別傳輸光纖是否受到外界擾動的關鍵。系統捕捉器通過感知光強的變化準確定位光纖外部的振動物理位置。PHI-OTDR分布式光纖振動傳感器是基于感知干涉光的相位變化判斷光信號發生了變化，因此可以同時測量多個不同位置的振動信號，且相較于其他普通的OTDR方法，具有很高的靈敏度。

4 結 論

光纖傳感技術的發展對電力防止外部擾動事件起到了重要作用，可以利用這項技術捕捉、統計分析對光纜、電纜數據，以便阻止可能發生的事故，減少光纜維護人員的工作負擔。隨著光纜監測系統的不斷更新發展，光纖預警傳感技術將在眾多的應用場景中獲得應用。